(57)【要約】      （修正有）【課題】固体高分子型燃料電池のセパレータ間におけるシール構造において、形成したガスケットの梱包・保管・輸送時の破損を防止でき、且つシール信頼性の高いシール構造であって、特に液状シール剤を用いた場合、容易に平滑なシール面を得ることができる固体高分子型燃料電池のシール構造の提供。【解決手法】セパレータと、電極と固体高分子膜よりなるＭＥＡとを積層してなる固体高分子型燃料電池において、ＭＥＡの周縁部に凸部を設け、セパレータの周縁部に凹部を設け、セパレータとＭＥＡを積層したときに前記凸部は前記凹部内に係合する様に設けられ、前記セパレータ凹部にガスケットを充填し、かつガスケットは凹部からはみ出さないものとし、前記凸部がガスケットを圧縮することを特徴とする固体高分子型燃料電池のシール構造。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータと、電極と固体高分子膜よりなるＭＥＡとを積層してなる固体高分子型燃料電池において、ＭＥＡの周縁部に凸部を設け、セパレータの周縁部に凹部を設け、セパレータとＭＥＡを積層したときに前記凸部は前記凹部内に係合する様に設けられ、前記セパレータ凹部にガスケットを充填し、かつガスケットは凹部からはみ出さないものとし、前記凸部がガスケットを圧縮することを特徴とする固体高分子型燃料電池のシール構造。
【請求項２】
前記凹部内のガスケットは硬化性液状シール剤を凹部に流し込み硬化させたものである請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のシール構造。
【請求項３】
前記ＭＥＡの凸部がＭＥＡに対して一体成型されたもの、または凸部状成型体をＭＥＡに接着してなる請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のシール構造。
【請求項４】
前記凸部の断面がテーパー状の突起形状であってその最大幅がセパレータに形成された凹部の溝幅より大きく、且つ、突起高さが溝の最大深さより小さい固体高分子型燃料電池のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子型燃料電池におけるセパレータとＭＥＡ間のシール構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は燃料の有するエネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する装置として知られている。燃料電池では水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、酸素を含む酸化ガスをカソードに供給して、両極で起こる電気反応で化学反応によって起電力を得る。
【０００３】
燃料電池の典型的な構造としては図９に示すことができる。燃料電池のＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２は固体電解質膜Ｍと電極Ｅｏ、Ｅｈからなり、これを挟み込む一対のセパレータ（集電極とも称する）１ｏ、１ｈとの間にそれぞれガスケットＧｏ、Ｇｈが配置されており、これらを積層したものを１セルとして複数のセルを積層することにより成り立っている。ＭＥＡは発電素子や電極膜構造体とよばれることもある。
【０００４】
１セルの断面図によりさらに詳しく説明すると、図１０で説明される。燃料電池はセパレータ１ｏ、１ｈとＭＥＡ２から構成された単セルＣからなり、このような単セルＣを、複数積層して構成されている。セパレータ１ｏ、１ｈは、燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒を分断するとともに、燃料ガスおよび酸化ガスの気体をＭＥＡ内部へ導く流路Ｐｈ、Ｐｏ並びに冷却水をＭＥＡへ導いてこれを冷却するための流路（図示せず）を有している。一方、ＭＥＡは、固体電解質膜Ｍを挟んで酸素極Ｅｏ（カソード極）と水素極Ｅｈ（アノード極）が設けられる。
【０００５】
セパレータ１ｏ、１ｈは、カーボンなどの材料から形成されており、そして燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒を分断する機能を有するとともに、前記流路Ｐｈ、Ｐｏを持ち、そして電子伝達機能を有している。この燃料電池は酸素極側ガス流路Ｐｏに供給空気が通流され、水素極側ガス流路Ｐｈに供給水素が供給されると、水素極Ｅｈで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、電解質膜Ｍ中を移動して酸素極Ｅｏに到達する。そして、酸素極Ｅｏに到達したプロトンは、触媒の存在下、供給空気の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水および未使用の酸素を含む供給空気は、排出空気として燃料電池の酸素極側の出口から排出される（排出空気は多量の水分を含む）。また、水素極Ｅｈでは水素がイオン化する際に電子ｅ−が生成するが、この生成した電子ｅ−は、モータなどの外部負荷を経由して酸素極Ｅｏに達する構成となっている。
【０００６】
このような構成の燃料電池は、燃料ガス、酸化ガス、冷媒を各々独立した流路Ｐｈ、Ｐｏ通じて各単セルＣに供給するが、これらの各系を気密に仕切るためにシールを施すシールが必要となってくる。特にＭＥＡの外周部は漏洩すると水素と酸素が反応してしまい、発電効率が著しく低下してしまう。よって、該部位には図９、図１０で示されるようにゴムシートなどのパッキンやオーリング等の固形ガスケットを挟み込んでシールされていた。しかし、固形ガスケットを挟み込むという方法は、組み付け行程において自動化が困難であったり、薄く且つ大型になる場合、ハンドリングが悪く、破損しやすい問題点がある。また、コスト的に不利であるばかりでなく、シール性能が良くないため、最適な方法ではなかった。
【０００７】
上記不都合を解消するため、シール材をあらかじめセパレータに一体化したり、ＭＥＡに一体化するという方法が考えられた。その方法を具体的に挙げると、ゴムパッキンなどの固形パッキンをあらかじめＭＥＡやセパレータに接着する方法、液状ガスケットによるＦＩＰＧ（Ｆｏｒｍｅｄ−Ｉｎ−Ｐｌａｃｅ−Ｇａｓｋｅｔ））、ＣＩＰＧ（Ｃｕｒｅｄ−Ｉｎ−Ｐｌａｃｅ−Ｇａｓｋｅｔ）、ＭＩＰＧ（Ｍｏｌｄｅｄ−Ｉｎ−Ｐｌａｃｅ−Ｇａｓｋｅｔ  ）などが考案されている。
【０００８】
ゴムパッキンなどをあらかじめ接着する方法は特開平８−１４８１６９号公報に記載されている。しかし、接着する工程がスタック組み立て工程と別になったというだけで、工程数自体が減るわけではなく、また、被シール部の形状に合わせてパッキンを用意しなければならず好ましくない。
【０００９】
ＦＩＰＧは特開２００３−３１２３９号公報に記載されているものであり、湿気硬化型のシリコーン樹脂や加熱硬化型のフッ素樹脂などの硬化性液状樹脂を被シール部にその形状にそって塗布し、液状のまま組み立てた後、液状樹脂を硬化させる方法である。この方法はその場でシール材を形成することができるため、被シール部が複雑な形状であったり部品が多種にわたる場合であっても、適応することができ、また、被シール部の表面に未硬化状態で接触してその後硬化するので被シール部の表面状態がなめらかでなくてもシール性が確保できるという長所がある。
【００１０】
ＣＩＰＧはＦＩＰＧと同様な樹脂、装置を使用してシール剤を現場成型するのであるが、ＦＩＰＧとの差異はＦＩＰＧは未硬化時に部品を組み立てるのに対しＣＩＰＧは塗布後硬化させてから部品を組み立てるものである。さらに、ＭＩＰＧは特開２００２−８６４８２号等に記載されており、被シール部を金型に入れ、または被シール部品に金型をかぶせ部材と金型の間にキャビティを形成し、該キャビティにシール材料を注入することによりシール材を成型するものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらＦＩＰＧは塗布して組み合わせという繰り返しをセルの数だけ繰り返さなければならず、スタック組み立て工程に時間がかかるという欠点、シール剤の塗布量を正確に制御しないと組み合わせたときにシール材がはみ出すという問題点がある。ＣＩＰＧは塗布した形状のまま硬化させる性格上、ディスペンス塗布の場合、ビードの継ぎ目が生じ、ビード高さが均一になりにくいため、極めて高い塗布精度が要求され、管理が非常に困難となる。ＭＩＰＧは金型を用いるため  イニシャルコストが高く、設計変更には不利な問題点を有する。
【００１２】
また、ＦＩＰＧを除くシール方法では被シール部材との間にシール材が介在し、十分な面圧を維持することでシール性能が発揮されるため、ガスケット材質のクリーピングや圧縮永久歪みのためにシール性が低下したり、高温・高圧下での面圧維持、寸法安定化が困難である。
【００１３】
また、上記のようなセパレータやＭＥＡにシール材を形成する方法は、平面形状であるセパレータやＭＥＡにシール材が突出している形状となる。シール材は軟質物質であるため、これらの部品を梱包、輸送、保存する際にシール部が他の部材と接触したり自重により破損する可能性があり、シール性に問題が生じる危険性がある。また、シール材がタッキングを有する場合にはブロッキングの問題が発生する。
【００１４】
そればかりではなく、近年では燃料電池の軽薄化を達成するためシール部材は通常、ＭＥＡの電極および集電層または拡散層の厚さでまかなわれる必要があり、この厚さでは充分なシール確保するのが困難であるという問題も生じている。
【００１５】
そこで、本発明は上記問題を解決すべく鋭意検討した結果、固体高分子型燃料電池の組み立て工程が簡素で、かつ部材の梱包、輸送、保存中にシール材が破損することにないシール構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
本発明はセパレータと、電極と固体高分子膜よりなるＭＥＡとを積層してなる固体高分子型燃料電池において、ＭＥＡの周縁部に凸部を設け、セパレータの周縁部に凹部を設け、セパレータとＭＥＡを積層したときに前記凸部は前記凹部内に係合する様に設けられ、前記セパレータ凹部にガスケットを充填し、かつガスケットは凹部からはみ出さないものとし、前記凸部がガスケットを圧縮する固体高分子型燃料電池のシール構造である。
【００１６】
本発明でいうＭＥＡとは従来技術で前述したとおり、固体高分子膜の両面にそれぞれ、カソード電極、アノード電極が形成されたものである。ＭＥＡは２枚のセパレータで挟まれる。セパレータとＭＥＡの間からカソード側、アノード側にそれぞれ空気または酸素、水素が供給される。
【００１７】
本発明はＭＥＡの周縁部に凸部が形成される。周縁部に形成される凸部はＭＥＡの外周にそって１周つながっていることが好ましい。また、周縁部の凸部はＭＥＡの両面に形成される。凸部はＭＥＡの周縁部に形成されるが、固体高分子膜が両電極よりも外周方向に向かってはみ出して設けられているものである場合、凸部は固体高分子膜上に形成されることが好ましい。しかし、必ずしも固体高分子膜上に形成される必要はなく、ＭＥＡの形状に合わせ、電極上に凸部が形成されてもかまわない。
【００１８】
形成される凸部の材質は外圧によって容易に変形しないものが好ましい。従来の燃料電池のシール構造はこの部分に弾性シール材を設けていたが、本発明では弾性でなく容易に変形しないものが好ましい。
【００１９】
一方、ＭＥＡは一般に２００μｍ以下の薄膜であることが多く、柔軟なフィルムがベースになるため、面圧をかけた際の局所荷重などにより、フィルムの破損などのおそれがある。これを解決する目的でＭＥＡの周縁部にプラスチックなどの硬質な部材で枠を設けることが知られている。本発明ではこの枠の断面形状を突起状にすることで凸部を設けることが好ましい。枠の材質は圧縮強度、耐クリープ性、耐熱性、耐酸性、耐加水分解性、電気絶縁性、ＭＥＡ上触媒に有害な溶出成分の無いことなどを考慮して選択される。枠の材質は本発明において制限されるものではないが、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＬＣＰ（液晶ポリエステル）などのスーパーエンプラと呼ばれるプラスチックが望ましい。
【００２０】
また、本発明では凸部枠の形成方法はＭＥＡに対して金型を用いて行うアウトサート成型や成型した枠部品をＭＥＡに接着する方法などが挙げられる。また、ＭＥＡに対し、液状の硬化性樹脂を突起状に塗布し硬化させるこよにより形成しても良い。この場合、エポキシ樹脂などの硬質な樹脂が望ましい。また、凸部を形成する材質は外圧により容易に変形しないものが好ましいと述べたが、面圧が低くても良い場合は従来のガスケット材と同様な軟質な材質であっても構わない。この場合、ＭＥＡを保管、輸送の際に凸部が変形する可能性があるが、本発明では後述する凹部の内部に存在するシール材との組み合わせでシールするため、ＭＥＡに形成されたシール部が多少変形してもシール性を発揮することができる。よって、本発明において凸部として軟質なシール材を使用しても従来の問題点を解消することができる。
【００２１】
本発明の凸部の形状はガスケット材の破損防止や液状ガスケットを注入した場合に生ずる液面の湾曲（メニスカス）に合わせて、凸部先端はゆるやかな曲線で構成されるものが望ましい。
【００２２】
本発明はセパレータの周縁部に凹部が形成される。凹部は溝であり、セパレータの外周にそって１周つながっていることが好ましい。凹部はセパレータの厚みと剛性が十分な場合は、切削や成型などで形成でき、セパレータの製造工程によって選択される。また、薄型のセパレータの場合、プレス成型によってガスや冷却水の流路などを形成する際に当該凹部となる溝（窪み）を設けることができる。  溝の幅寸法、深さおよび断面形状は特に制限されず、ＭＥＡに設けた凸部の形状および寸法との兼ね合いや、使用するガスケット材（後述）の硬度や圧縮力によって決定することが望ましい。ただし、液状ガスケットの注入を行う場合は溝部は水平面に形成され、且つ注入した液状ガスケットが流出するような孔や切り掻きなどが無い方がよい。またセパレータに形成される凹部の最高面はガス流路の合わせ面に対し水平であっても良いが、ＭＥＡの破損防止のため、段差ないしはテーパー状に面取りしてあっても良い。
【００２３】
セパレータ凹部内にはガスケットが形成される。ガスケットは圧縮により容易に変形し、圧縮力を除去すると変形が元に戻る様なものが好ましい。ガスケット材は固形ガスケット、液状ガスケット共に使用できる。固形ガスケットは凹部の溝形状とほぼ同形の固形パッキンを準備して凹部にはめ込むことにより得ることができる。液状ガスケットは凹部溝内に硬化性液状樹脂を流し込み、硬化させることにより得ることができる。ガスケットの材質は本発明において特に制限されるものではないが、燃料電池の要求特性を考慮すると固形ガスケットではＥＰＤＭ、ＩＩＲ、フッ素系のゴムなどが望ましく、液状ガスケットの場合はポリオレフィン系、フッ素系が特に望ましい。
【００２４】
また、本発明においてはシール部を平滑面にすることを考慮し、液状ガスケットは流動性に優れたものが望ましい。流動性が低い場合、十分なセルフレベリングが得られず、注入後の液面が平滑にならない。また、粘度が高いものはセルフレベリングに時間を要し、作業性が低下するため低粘度のものが望ましい。注入量は所定の面圧と設計上の寸法、凸部と凹部の容積およびガスケット材の変形特性などを考慮して決定される。
【００２５】
本発明のような構成であるとセパレータを大量生産により製造した場合でも、セパレータ同士を重ねて、輸送、保管することができ、軟質であるガスケット材が突出していない構造であるので、ガスケットが他の部位と衝突することがなく、そのまま重ねてもビードの破損やブロッキングの発生がない。
【００２６】
ＭＥＡの周縁部に形成された凸部とセパレータの周縁部に形成された凹部は凸部が凹部内に係合するような位置関係、形状、寸法であることが必要である。凸部は凹部内のガスケットを圧縮しガスケットは弾性変形して凹部内のガスケットと凸部の面圧によりシール性が発現し、燃料電池内の水素ガス、酸素ガス（空気）が内部で混合することなく、外部に漏れることもない。ここで、周縁部とはＭＥＡやセパレータの最外周末端を指すわけではなく、燃料が供給されてＭＥＡで発電が起こるＭＥＡの発電部より外周という意味である。よって、燃料電池の構成によってはＭＥＡの最外周よりも２〜３ｃｍほど内側に凹部や凸部が構成されてもかまわない。
【００２７】
また、凸部の全体がテーパー状で底部の最大幅がセパレータに形成された凹部の溝幅よりも大きい場合、凸部の底部と凹部の頂部が接触して、ガスケット材の変形スペースが制限されるため過剰な変形やガスケット材の破損を防止することができる。
【００２８】
【作用】
従来のシール構造では平滑なセパレータ面と同様に平滑なＭＥＡあるいはＭＥＡ枠の間にガスケット、シール材を介在させる構造であり、ガスケットが平面に対し突起となっているため、圧縮により平面方向に対して変形が自由である。このため、長期間の圧縮応力によってクリーピングが発生しやすく、面圧低下が顕著となる。同様の理由でＣＩＰＧの場合においては塗布した液状ガスケットの断面形状は液状ガスケットの流動特性や塗布機の精度に依存することになり、流動性が高いと十分なビード高さが得られず、流動性を抑制すると、レベリング性が低下してビード頂点の高さが不安定になりやすい欠点を有する。またディスペンスにおいてはビード継ぎ目が残存してしまうことがある。また、位置精度が悪いと均一に当接しないためシール性が悪くなる。一方、本発明ではガスケットを突出しない平滑面とし、この面に対しシール部に合わせた枠の断面を突起形状としてガスケットに押しつける構造により前記の問題を回避もしくは緩和することができる。また、ＭＥＡに形成された凸部がセパレータに形成された凹部に入っていれば、高さ、位置精度が多少悪くても安定したシール性能が得られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
【実施例】
以下に本発明のシール構造の実施例を説明する。
実施例１
ＭＥＡ２として図１ａの断面図で示されるＭＥＡを作成した。ＭＥＡ周縁部に半楕円状断面の凸部３を形成した。凸部３はアウトサート成型により形成した。また、セパレータ１として図１ｂの断面図で示されるセパレータを作成した。凹部４の溝断面はコ字型であり、凹部に液状シール剤を注入し硬化させ、ガスケット５を形成した。凹部への注入は容易であり、セルフレベリングにて平滑なガスケット材表面を形成することができた。該セパレータとＭＥＡを組み合わせた。ＭＥＡに形成された凸部３はセパレータの凹部４に係合し内部のガスケット５を圧縮し、凸部３が均一にガスケットに密着することができるので密着不良によるシール不良を回避することができた。この様子は図１ｃで表される。
【００３０】
実施例２
ＭＥＡ２は実施例１と同じものを使用した。（図２ａ）また、セパレータ１として図２ｂの断面図で示されるセパレータを作成した。凹部４の溝断面はＵ字型であり、凹部４に液状シール剤を注入し硬化させ、ガスケット５を形成した。凹部４への注入は容易であり、セルフレベリングにて平滑なガスケット材表面を形成することができた。さらに実施例１の場合と比べ、液状シール剤の注入時に気泡が混入しにくかった。ＭＥＡ２に形成された凸部３はセパレータの凹部４に係合し内部のガスケット５を圧縮し、凸部３が均一にガスケットに密着することができるので密着不良によるシール不良を回避することができた。この様子は図２ｃで表される。さらに、実施例１と比べガスケット５が圧縮された際に発生する歪みが局在化しにくいのでガスケットの破損やクリーピングを緩和しやすかった。この様子は図２ｃで表される。
【００３１】
実施例３
ＭＥＡ２として図３ａの断面図で示されるＭＥＡを作成した。あらかじめ半楕円状断面の凸部成型体を作成しておき、エポキシ樹脂接着剤６でＭＥＡ２の周縁部に両面凸部成型体３を接着した。セパレータ１として実施例１と同じものを用いた。（図３ｂ）該セパレータ１とＭＥＡ２を組み合わせた。ＭＥＡ２に形成された凸部３はセパレータの凹部４に係合し内部のガスケット５を圧縮し、凸部３が均一にガスケットに密着することができるので密着不良によるシール不良を回避することができた。この様子は図３ｃで表される。
【００３２】
実施例４
ＭＥＡ２として図４ａの断面図で示されるように、ＭＥＡ２の周縁部に硬化性液状シール材をビード状に塗布し、硬化させ凸部３を形成した。シール材のビード（凸部）はおおよそ均一な高さではあったがきわめて正確な高さではなかった。セパレータ１として実施例１と同じものを用いた。（図４ｂ）該セパレータ１とＭＥＡ２を組み合わせた。ＭＥＡ２に形成された凸部３であるビードはその高さに応じてガスケット５を圧縮し、凸部３が均一にガスケット５に密着することができるのでビード（凸部）が均一な高さでなくても密着不良によるシール不良を回避することができた。この様子は図４ｃで表される。
【００３３】
実施例５、実施例６
実施例１の場合と同じだが、セパレータの凹部に実施例５では段差７、実施例６ではテーパー状の面取り８を施した。（図５，図６）これらはガスケット材のクリーピングなどによりＭＥＡが過剰に圧縮されてもセパレータ溝の角がＭＥＡに食い込むことを緩和できた。
【００３４】
実施例７，実施例８
実施例１の場合と同じだが、ＭＥＡの凸部３がテーパー状であり、かつテーパーの最底部３ａの幅がセパレータの凹部の開口幅より大きい場合の例を示す。（図７）該セパレータとＭＥＡ２を組み合わせた。ＭＥＡ２に形成された凸部２の先端部はセパレータの凹部内部のガスケットを圧縮し、凸部の底部３ａはセパレータ凹部と接触し、スペーサーの役割になるためガスケットの圧縮量を制限することになるので、面圧の維持がしやすい。さらに実施例８ではセパレータの凹部をテーパー状の面取り８を施した。（図８）この場合、実施例７よりも凸部と凹部の接触面積が大きいため、接触の圧力を緩和しセパレータやＭＥＡの破損を防止することができた。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のシール構造によれば形成するシール部分の成型精度があまり高くなくても優れたシール性を発揮することができる。例えば、液状ガスケットを用いたＣＩＰＧにおいて、塗布管理を容易にし、且つ信頼性の高いシール性を発揮させることが可能である。また、面圧低下によるシール性の低下およびＭＥＡの破損を抑制することが可能である。さらに、燃料電池部品の梱包・輸送時の破損・ブロッキングを防止することができ、信頼性の高いシール性を得ることができる。
【００３６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の構成を表す断面図
【図２】本発明の実施例２の構成を表す断面図
【図３】本発明の実施例３の構成を表す断面図
【図４】本発明の実施例４の構成を表す断面図
【図５】本発明の実施例５の構成を表す断面図
【図６】本発明の実施例６の構成を表す断面図
【図７】本発明の実施例７の構成を表す断面図
【図８】本発明の実施例８の構成を表す断面図
【図９】従来の燃料電池のスタック構造を表す斜視図
【図１０】従来の燃料電池の１セルを表す断面図
【符号の説明】
１    セパレータ
２    ＭＥＡ
３    凸部
４    凹溝
５    ガスケット
６    接着剤
７    段差
８    面取り部
Ｍ    固体高分子膜
Ｅ    電極
Ｐ    流路
【図１】
2005019057.tif 000002
【図２】
2005019057.tif 000003
【図３】
2005019057.tif 000004
【図４】
2005019057.tif 000005
【図５】
2005019057.tif 000006
【図６】
2005019057.tif 000007
【図７】
2005019057.tif 000008
【図８】
2005019057.tif 000009
【図９】
2005019057.tif 000010
【図１０】
2005019057.tif 000011